Геликон (физика)
Геликон (др.-греч. ἕλιξ, род. падеж. ἕλικος — кольцо, спираль) — низкочастотная электромагнитная волна, которая возникает в некомпенсированной плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.
Из истории открытия
Существование электромагнитных возбуждений геликонного типа в плазме твердых тел было предсказано в 1960 году: в металлах — О. В. Константиновым и В. И. Перелем[1], в полупроводниках — П. Эгреном[2]. Термин «геликон» был введен Эгреном и отражал круговой характер поляризации этой волны. Через год геликоны были экспериментально обнаружены в натрии[3]. В том же году было установлено, что так называемые «свистящие атмосферики» (вистлеры) представляют собой геликонные волны, распространяющиеся в газовой плазме ионосферы Земли.
Режимы существования геликонов
Возможность распространения электромагнитных волн в хорошо проводящих средах в присутствии сильного магнитного поля можно пояснить следующим образом. В отсутствие магнитного поля в среде имеет место скин-эффект: под действием излучения с частотой, меньшей плазменной, возникают токи, которые экранируют электромагнитное возмущение и препятствуют его проникновению вглубь вещества. Магнитное поле ослабляет это экранирование, заставляя носители заряда под действием силы Лоренца двигаться более упорядоченно и мешая им эффективно реагировать на поле электромагнитной волны. Это дает возможность распространения в среде низкочастотных геликонов.
В зависимости от соотношения длины свободного пробега носителей заряда и длины волны электромагнитного возбуждения выделяют «локальный» и «нелокальный» режимы распространения геликонов. Для рассмотрения каждого из этих случаев приходится применять различные теоретические и экспериментальные подходы.
Локальный режим
Условие локальности может быть записано в виде [math]\displaystyle{ ql\lt \lt 1 }[/math], где [math]\displaystyle{ q }[/math] — волновое число геликона, [math]\displaystyle{ l }[/math] — длина свободного пробега носителей заряда (электронов). Основные особенности геликонных волн могут быть получены в модели свободных электронов. Рассматривая падение на проводящую среду электромагнитной волны частоты [math]\displaystyle{ \omega }[/math] в условиях мгновенного равновесия, можно получить дисперсионное соотношение для геликона:
[math]\displaystyle{ q^2_{\pm}=\omega \mu_0 / \rho (\pm u+i) \cos \phi }[/math],
где [math]\displaystyle{ \mu_0 }[/math] — магнитная проницаемость вакуума, [math]\displaystyle{ \rho=m / n e^2 \tau }[/math] — сопротивление, [math]\displaystyle{ u=R B_0 / \rho=\omega_c \tau }[/math] — тангенс угла Холла между током и напряженностью электрического поля, [math]\displaystyle{ B_0 }[/math] — постоянное магнитное поле, [math]\displaystyle{ \phi }[/math] — угол между [math]\displaystyle{ q }[/math] и [math]\displaystyle{ B_0 }[/math]. Здесь [math]\displaystyle{ m }[/math] — масса электрона, [math]\displaystyle{ e }[/math] — его заряд, [math]\displaystyle{ n }[/math] — плотность электронов, [math]\displaystyle{ \tau }[/math] — характерное время, за которое носители теряют импульс при столкновениях с решеткой; [math]\displaystyle{ R=1/ne }[/math] — константа Холла, [math]\displaystyle{ \omega_c=e B_0 / m }[/math] — циклотронная частота носителей. Условием распространяющихся волн является неравенство [math]\displaystyle{ |{\rm Re} q|\gt \gt |{\rm Im} q| }[/math]. В полубесконечном металле геликон, распространяющийся вдоль постоянного магнитного поля, является поперечной циркулярно поляризованной волной, электрическое и магнитное поля которой вращаются вокруг направления распространения в том же направлении, что и электроны.
В общем случае необходимо учитывать тензорный характер параметров среды, в частности сопротивления [math]\displaystyle{ \rho }[/math], а также граничные условия в ситуации пространственно ограниченных структур.
Нелокальный режим
Условием нелокальности является соотношение [math]\displaystyle{ ql\gt \gt 1 }[/math], то есть на длине свободного пробега укладывается много длин волн геликона. Поэтому в данном случае нельзя пренебрегать микроскопическим (циклотронным) движением носителей заряда. С математической точки зрения это приводит к необходимости вычисления нелокального тензора проводимости. Физическую картину в нелокальном случае определяют эффекты бесстолновительного поглощения волны носителями, крайними случаями которого являются доплер-сдвинутый циклотронный резонанс (условие поглощения [math]\displaystyle{ qV_F/\omega_c\gt 1 }[/math], где [math]\displaystyle{ V_F }[/math] — скорость свободных электронов, равная скорости Ферми) и магнитное затухание Ландау ([math]\displaystyle{ qV_F/\omega_c\lt \lt 1 }[/math]). Эти процессы существенно ограничивают диапазон существования распространяющихся геликонных волн.
Эксперименты с геликонами
Методы исследования
К основным методам наблюдения и изучения геликонов относятся:
- Метод скрещенных катушек (одна катушка возбуждает геликон, а вторая — ортогональная ей — регистрирует его поле в образце)
- Метод интерферометрии (общий сигнал на выходе является результатом интерференции сигнала геликона с некоторым опорным сигналом)
- Интерферометрия с одной катушкой (для измерения сигналов высоких частот)
- Методы поверхностного импеданса
Результаты исследований
Экспериментальные наблюдения геликонов в локальном режиме позволяют измерить константу Холла, магнетосопротивление, поверхностное поглощение волн при различных геометриях образцов.
Эксперименты в нелокальном режиме в условиях циклотронного поглощения и затухания Ландау позволяют определять поверхностный импеданс образцов, форму поверхности Ферми, оценить роль столкновений в процессах затухания. Отдельным направлением исследований является изучение взаимодействия геликонов с другими типами возбуждения в веществе: со звуком (геликон-фононное взаимодействие, позволяющее осуществлять электромагнитное возбуждение акустических волн), с магнитными моментами ядер (ЯМР-поглощение геликона), со спиновыми волнами в ферромагнетиках (геликон-магнонное взаимодействие).
Обычно геликоны в лабораторных экспериментах получают в плазме твёрдых тел или разрядных трубках с газовой плазмой. В 2015 году американские исследователи сообщили о получении геликонов в неограниченной плазме, вдали от каких-либо поверхностей. Это достижение позволяет изучить в лаборатории возникновение таких волн в ситуации, близкой к условиям, имеющимся в космическом пространстве.[4]
Примечания
- ↑ О.В. Константинов, В.И. Перель. О возможности прохождения электромагнитных волн через металл в сильном магнитном поле // ЖЭТФ. — 1960. — Т. 38. — С. 161.
- ↑ P. Aigrain. Les "Helicons" dans les semiconducteurs // Рrос. Int. Conf. on Semiconduction Phys., Prague, 1960. — С. 224.
- ↑ R. Bowers, C. Legendy, and F. Rose. Oscillatory Galvanomagnetic Effect in Metallic Sodium // Phys. Rev. Lett. — 1961. — Т. 7, № 9. — С. 339—341.
- ↑ Stenzel R. L., Urrutia J. M. Helicons in Unbounded Plasmas // Physical Review Letters. — 2015. — Vol. 114. — doi:10.1103/PhysRevLett.114.205005.
Литература
- Канер Э. А. Геликон Архивная копия от 22 марта 2012 на Wayback Machine // Физическая энциклопедия. — Т. 1. — М.: Сов. энцикл., 1988. — С. 428.
- Максфилд Б. Геликоны в твердых телах // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1971. — Т. 103, вып. 2. — С. 233—273.
- Скобов В. Г., Канер Э. А. Электромагнитные волны в металлах в магнитном поле // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1966. — Т. 89, вып. 7.
- Скирмионные состояния в хиральных жидких кристаллах Дж. де Маттеис, Л. Мартина, В. Турко